Das Bohren von Leiterplatten gehört zu den kritischsten Prozessschritten in der PCB-Fertigung. Die PCB-Bohrqualität beeinflusst direkt nachgelagerte Prozesse wie die chemische Kupferabscheidung, die galvanische Metallisierung, die Bildübertragung sowie die elektrische Verbindung zwischen den Lagen. Darüber hinaus wirkt sie sich maßgeblich auf die Lochqualität, die elektrische Leistung, die mechanische Zuverlässigkeit und die Langzeitbeständigkeit der fertigen Leiterplatte aus.
Deshalb sind geeignete Bewertungsmethoden für gebohrte Löcher sowohl für die Prozesskontrolle als auch für die Qualitätssicherung in der Leiterplattenfertigung unverzichtbar.
In diesem Artikel werden acht zentrale Prüfkriterien erläutert, die üblicherweise zur Bewertung der PCB-Bohrqualität und zur Erkennung typischer Bohrfehler herangezogen werden:
- Bohrlochdurchmesser
- Lochpositionsgenauigkeit
- Rauheit der Lochwand
- Gratbildung
- Nail Heading
- Wicking
- Haloing
- Verstopfte Bohrlöcher
Bohrlochdurchmesser
1. Was ist der Bohrlochdurchmesser?
Der Bohrlochdurchmesser ist der Lochdurchmesser unmittelbar nach dem mechanischen Bohren in ein einseitiges, doppelseitiges oder mehrlagiges PCB-Panel. In diesem Stadium ist das Loch noch nicht metallisiert, sodass sich auf der Lochwand noch keine leitfähige Schicht befindet.
Davon zu unterscheiden ist der Fertiglochdurchmesser, also der endgültige Lochdurchmesser der fertigen Leiterplatte. Bei durchkontaktierten Löchern werden in den nachfolgenden Prozessen Kupfer und andere Metallschichten auf die Lochwand aufgebracht. Deshalb ist der Fertiglochdurchmesser kleiner als der ursprüngliche Bohrlochdurchmesser. Dieser dimensionsbedingte Unterschied ist ein grundlegender Bestandteil der Bewertung der PCB-Lochqualität.
2. Gängige Prüfmethoden
Typische Werkzeuge und Methoden zur Prüfung des Bohrlochdurchmessers sind:
- Stiftlehren
- Optische Messsysteme
- Lochinspektionssysteme
- Horizontale Schliffanalysen
3. Typischer Akzeptanzstandard
Ein häufig verwendeter Bewertungsstandard für den Bohrlochdurchmesser lautet:
D ± 0,025 mm
Dabei steht D für den Soll-Bohrdurchmesser.
Die tatsächlichen Toleranzen können je nach internen Fertigungsstandards des PCB-Herstellers und den Anforderungen des Kunden variieren.
Lochpositionsgenauigkeit
1. Was ist die Lochpositionsgenauigkeit?
Die Lochpositionsgenauigkeit beschreibt, wie genau die tatsächlich gebohrte Lochposition mit der vorgesehenen Position im Layout übereinstimmt. Sie ist einer der wichtigsten Kennwerte für die Bohrpräzision und damit für die gesamte PCB-Bohrqualität.
Eine unzureichende Lochpositionsgenauigkeit kann zu folgenden Problemen führen:
- außermittige Bohrungen
- verringerte Ringbreite
- Ausbrüche an Innenlagen
- unzuverlässige elektrische Verbindungen zwischen den Lagen
- geringere Endausbeute
2. Cpk als wichtigster Bewertungsmaßstab
In der PCB-Industrie wird die Lochpositionsgenauigkeit üblicherweise mit dem Prozessfähigkeitsindex, also Cpk oder Cp, bewertet.
Cpk beschreibt die tatsächliche Leistungsfähigkeit eines Prozesses, wenn dieser über einen bestimmten Zeitraum stabil und beherrscht läuft. Anders gesagt zeigt der Wert, wie zuverlässig der Bohrprozess die vorgegebenen Qualitätsanforderungen einhält.
Diese Prozessfähigkeit wird von fünf wesentlichen Qualitätsfaktoren beeinflusst:
- Bedienpersonal
- Maschine
- Rohmaterialien
- Prozessmethode
- Produktionsumgebung
Ein höherer Cpk-Wert bedeutet, dass der Bohrprozess stabiler ist und die Lochpositionsgenauigkeit besser eingehalten werden kann.
3. Gängige Prüfmethoden
Die Lochpositionsgenauigkeit wird in der Regel mit folgenden Mitteln gemessen:
- Lochpositions-Prüfsysteme
Für qualitative Prüfungen, etwa um festzustellen, ob ein Lochversatz vorliegt, werden zusätzlich häufig eingesetzt:
- Rotfilm
- Punktdiagramme
4. Typische Branchenanforderung
In der PCB-Fertigung gilt häufig folgende Anforderung:
Cpk ≥ 1,33 (±3 mil)
Das bedeutet, dass der Bohrprozess über ausreichende Stabilität und Prozessfähigkeit verfügen muss.
Rauheit der Lochwand
1. Was ist die Lochwandrauheit?
Die Rauheit der Lochwand beschreibt die Unebenheit der Lochwand, die durch Schneidwirkung und Reibung während des Bohrens entsteht.
Eine zu hohe Lochwandrauheit kann verschiedene Risiken verursachen:
- unzureichende chemische Kupferabscheidung
- schwächere Haftung der Metallisierung
- erhöhtes Risiko von Lochwandfehlern
- verringerte Zuverlässigkeit durchkontaktierter Verbindungen
2. Warum die Schliffrichtung wichtig ist
Da PCB-Laminate gewebte Glasfasern enthalten, hat die Richtung des Querschliffs einen erheblichen Einfluss auf die beobachtete Rauheit. Zwei übliche Schliffrichtungen sind:
- 90° zur Glasfasergewebestruktur
- 45° zur Glasfasergewebestruktur
In der Praxis ist die in einem 45°-Schliff sichtbare Rauheit meist deutlich größer als in einem 90°-Schliff.
Aus diesem Grund wird in der Branche üblicherweise folgende Prüfrichtung als Standard verwendet:
90° zur Glasfasergewebestruktur
3. Typischer Kontrollstandard
Ein häufig verwendeter interner Zielwert lautet:
unter 30 μm
Zusätzlich empfiehlt der IPC-DR-572A, Printed Board Drilling Guide, die Lochwandrauheit auf folgenden Wert zu begrenzen:
unter 25 μm
Allerdings macht diese Richtlinie keine genaue Angabe dazu,
- in welcher Schliffrichtung gemessen werden soll
- welcher Lochdurchmesser bewertet wird
4. Praktische Hinweise
In der Praxis kann es schwierig sein, eine Rauheit von unter 25 μm einzuhalten, wenn folgende Bedingungen vorliegen:
- Lochdurchmesser über 1,0 mm
- PCB-Aufbauten mit mehreren Lagen 7628-Glasgewebe
- Schliffauswertung bei 45° zur Gewebestruktur
Daher wird PCB-Herstellern in der Regel empfohlen, realistische Akzeptanzkriterien auf Basis des tatsächlichen Produktaufbaus und der eigenen Prozessfähigkeit festzulegen und diese mit dem Endkunden abzustimmen.
Gratbildung
1. Was sind Grate?
Ein Grat ist eine erhabene Kante oder Ausstülpung, die entsteht, wenn die Kupferfolie auf der Leiterplattenoberfläche beim Bohren gedehnt, aber nicht vollständig sauber getrennt wird. Da Kupfer duktil ist, kann es sich beim Bohren verformen, anstatt glatt abzuscheren.
Werden Grate nicht entfernt, können sie nach der chemischen Kupferabscheidung und galvanischen Metallisierung zu größeren Erhebungen werden und sowohl das Erscheinungsbild als auch die Zuverlässigkeit beeinträchtigen. Es handelt sich dabei um einen der häufigeren Bohrfehler beim mechanischen PCB-Bohren.
2. Wo treten Grate typischerweise auf?
Grate finden sich häufig an folgenden Stellen:
- auf der Eintrittsseite des Panels
- auf der Austrittsseite der Unterlagenplatte
3. Hauptursachen für Gratbildung
Die häufigsten Ursachen sind:
- unzureichende Unterstützung durch Eintritts- oder Unterlagenmaterial
- stumpfe Bohrer
- zu viele Hübe pro Bohrer
4. Empfohlene Akzeptanzkriterien
Für die Grathöhe gelten üblicherweise folgende Grenzwerte:
- bei Lochdurchmessern ≤ 1,25 mm beträgt die maximal zulässige Grathöhe 1 % des Bohrerdurchmessers
- bei Lochdurchmessern > 1,25 mm beträgt die maximal zulässige Grathöhe 12 μm
Nail Heading
1. Was ist Nail Heading?
Nail Heading bezeichnet einen Zustand in mehrlagigen Leiterplatten, bei dem die Enden der leitfähigen Kupferschichten der Innenlagen beim Bohren zu beiden Seiten nach außen gedrückt werden.
Dabei handelt es sich im Wesentlichen um eine mechanische Verformung des Innenlagenkupfers infolge unzureichender Bohrbedingungen. Dieser Fehler ist besonders wichtig bei der Bewertung der Qualität von durchkontaktierten Löchern in Multilayer-PCBs.
2. Wie entsteht Nail Heading?
Nail Heading wird typischerweise verursacht durch:
- verschlissene Bohrer
- mangelhafte Prozesskontrolle beim Bohren
Wenn ein stumpfer Bohrer durch die Kupferfolie dringt, schneidet er das Kupfer nicht mehr sauber. Stattdessen drückt er es unter hoher Temperatur und hohem Druck seitlich weg. Dadurch wird die Seitenwand des Innenlagen-Anschlussrings abgeflacht und nach außen gedrückt, sodass die typische „Nagelkopf“-Form entsteht.
3. Prüfverfahren
In der PCB-Fertigung wird Nail Heading in der Regel bewertet durch:
- das Anfertigen metallografischer Schliffe
- die Beobachtung der Struktur unter dem Metallmikroskop
4. Akzeptanzkriterien
Zum Beispiel legt MIL-P-55110E fest:
Die Breite des Nail Heads an einem Innenlagenpad einer mehrlagigen Leiterplatte darf das 1,5-Fache der Dicke der betreffenden Kupferschicht nicht überschreiten.
Dieselbe Anforderung findet sich auch in:
- GJB362B-2009, General Specification for Rigid Printed Boards
- QJ831B-2011, General Specification for Multilayer Printed Circuit Boards for Aerospace Use
Wicking
1. Was ist Wicking?
Wicking, auch als Dochteffekt bezeichnet, beschreibt die kapillare Aufnahme von Flüssigkeiten entlang der Substratfasern.
Wenn bei einem Lochwandschliff chemisch abgeschiedenes Kupfer in die Zwischenräume einzelner Filamente der freigelegten Glasfaserbündel eindringt, kann die Mikrostruktur wie ein Besen oder eine Bürste aussehen. Dieses Erscheinungsbild gilt als typischer Hinweis auf Wicking.
2. Was Wicking bedeutet
Wicking zeigt an, dass die Faserstruktur entlang der Lochwand freigelegt wurde, sodass Prozesschemikalien und abgeschiedenes Kupfer in das Glasfaserbündel eindringen können.
Dies kann den Zustand der Grenzfläche an der Lochwand beeinflussen und ist insbesondere bei hochzuverlässigen PCB-Anwendungen von Bedeutung.
Haloing
1. Was ist Haloing?
Haloing, auch White Ring oder Weißring genannt, ist ein Phänomen, bei dem mechanische Bearbeitung Risse oder Ablösungen im Substrat verursacht – entweder an der Oberfläche oder unterhalb davon.
Typischerweise zeigt sich Haloing als Aufhellung rund um ein gebohrtes Loch oder um ein anderes mechanisch bearbeitetes Merkmal.
2. Wie entsteht Haloing?
Haloing wird durch mechanische Schädigung des Laminats verursacht. Beim Bohren oder bei anderen Bearbeitungsprozessen können übermäßige Schnittkräfte, Reibung oder ungeeignete Prozessbedingungen die Grenzfläche zwischen Harz und Glasfaser beschädigen. Dadurch entsteht eine sichtbar aufgehellte Zone.
3. Akzeptanzanforderung
Die Ausdehnung des Haloings darf nicht größer sein als:
- 2,5 mm, oder
- 50 % des Abstands zum nächstgelegenen Leiter
Haloing ist nicht nur ein optisches Problem. Es kann auf strukturelle Schäden im Basismaterial hinweisen und ist daher besonders wichtig bei Leiterplatten mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen.
Verstopfte Bohrlöcher
1. Was sind verstopfte Bohrlöcher?
Wenn beim PCB-Bohren Bohrspäne nicht wirksam abgeführt werden, können sie im Loch eingeschlossen bleiben und ein verstopftes Bohrloch verursachen.
Auch dies ist ein wichtiger Punkt innerhalb der Prüfkriterien für gebohrte Löcher.
2. Hauptursachen für verstopfte Bohrlöcher
Verstopfte Löcher entstehen häufig durch:
- unzureichenden Spanraum im Bohrer
- zu schwache Absaugung oder Staubabscheidung
- zu große Plattendicke
- mangelhafte Spanabfuhr während des Bohrens
3. Warum verstopfte Löcher problematisch sind
Verstopfte Bohrlöcher können nachgelagerte Prozesse erheblich beeinträchtigen, zum Beispiel durch:
- abnormale Zustände der Lochwand
- schlechte chemische Kupferabdeckung
- unzureichende Metallisierungsqualität
- Fremdmaterial im Loch
- verringerte Zuverlässigkeit elektrischer Verbindungen
Deshalb zählen verstopfte Löcher zu den kritischen Fehlern, die während des Bohrprozesses kontrolliert werden müssen.
Warum die Bewertung der PCB-Bohrqualität so wichtig ist
Wie diese acht Kriterien zeigen, kann die PCB-Bohrqualität nicht allein danach beurteilt werden, ob ein Loch erfolgreich gebohrt wurde. Sie muss aus mehreren Blickwinkeln bewertet werden, darunter Abmessung, Position, Zustand der Lochwand, Kupferverformung, Substratschädigung und Spanabfuhr.
Diese Prüfkriterien für gebohrte Löcher sind aus mehreren Gründen wichtig.
1. Sie sichern stabile Folgeprozesse
Die Bohrqualität beeinflusst direkt:
- chemische Kupferabscheidung
- galvanische Metallisierung
- Bildübertragung
- Ausrichtung beim Laminieren
- Fräsen und Konturbearbeitung
- elektrische Prüfung
Wenn die Lochqualität bereits beim Bohren instabil ist, wird die Beherrschung der Ausbeute in den Folgeprozessen deutlich schwieriger.
2. Sie verbessern die Zuverlässigkeit elektrischer Verbindungen
Gerade bei mehrlagigen Leiterplatten und durchkontaktierten Löchern stehen Themen wie Lochwandrauheit, Nail Heading und Wicking in engem Zusammenhang mit der Langzeitzuverlässigkeit der elektrischen Verbindung zwischen den Lagen.
3. Sie reduzieren das Risiko von Serienfehlern
Durch klare Standards für Lochdurchmesser, Lochpositionsgenauigkeit, Grate, Haloing und andere Bohrfehler können Hersteller ein stabileres Prozesskontrollsystem aufbauen und das Risiko größerer Produktionsprobleme senken.
4. Sie helfen bei der Abstimmung zwischen Hersteller und Kunde
Einige Merkmale – etwa Lochwandrauheit oder Haloing – hängen von Materialaufbau, Lochdurchmesser und Schliffrichtung ab. Deshalb ist es oft notwendig, praktikable Akzeptanzstandards gemeinsam mit dem Endkunden festzulegen.
Fazit
Das Bohren von Leiterplatten mag wie ein grundlegender Fertigungsschritt wirken, gehört in Wirklichkeit aber zu den entscheidenden Prozessen für Qualität und Zuverlässigkeit einer PCB. Vom Bohrlochdurchmesser und der Lochpositionsgenauigkeit über die Lochwandrauheit bis hin zu Graten, Nail Heading, Wicking, Haloing und verstopften Bohrlöchern steht jedes Bewertungsmerkmal für ein konkretes Prozessrisiko und ein mögliches Zuverlässigkeitsproblem.
Für PCB-Hersteller besteht der Schlüssel zur Verbesserung der PCB-Bohrqualität darin, ein vollständiges Bewertungssystem aufzubauen und dieses mit einer sauberen Kontrolle von Maschinenzustand, Bohrerstandzeit, Laminataufbau und Kundenanforderungen zu kombinieren. Nur so lassen sich Prozessstabilität, Endausbeute, Lochqualität und langfristige Zuverlässigkeit nachhaltig verbessern.
